JPH03138513A - 振動ジャイロ - Google Patents

振動ジャイロ

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JPH03138513A
JPH03138513A JP1276117A JP27611789A JPH03138513A JP H03138513 A JPH03138513 A JP H03138513A JP 1276117 A JP1276117 A JP 1276117A JP 27611789 A JP27611789 A JP 27611789A JP H03138513 A JPH03138513 A JP H03138513A
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Shinichi Aotsu
青津 信一
Kokichi Terajima
厚吉 寺嶋
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、コリオリの力に起因して生しるねじりモー
メントまたは剪断応力を検知することによって、角速度
を検出する振動ジャイロに関するものである。
〔従来の技術〕
従来から広く一般に用いられている振動ジャイロとして
は、例えば、第5図に示すような圧電タイプのものがあ
る。これは、圧電材料よりなるノ\イモルフ振動子、ユ
ニモルフ振動子等からなる、矩形板形状の二枚の駆動用
振動子51.51’を、三次元座標系のX軸方向へ延在
させるとともに、Y軸方向に間隔をおいて配置し、そし
て、それらのそれぞれの広幅面を互いに向き合わせた姿
勢で、各一端を支持基板59に固着し、また、かかる駆
動用振動子5L 51’の遊端には、連結部材56.5
6’を介して、これも圧電材料からなる矩形板状の検知
用振動子57.57’のそれぞれを、互いの広幅面が前
記駆動用振動子51.51’の広幅面と直交する方向に
向く姿勢で連結することにより構成されている。
このような振動ジャイロの使用に際しては、先ず駆動用
振動子51.51’に交流電圧を印加して、それらの振
動子51.51’を図の矢印方向(Y軸方向)に対称に
振動させる。すなわち、それぞれの広幅面を互いに直交
する方向に向けて連結した各振動子51.57ならびに
51’ 、 57’からなる再振動体58.58’の全
体を、Y軸方向に振動させる。この状態下で、振動ジャ
イロをZ軸のまわりで、図に矢印で示す方向へ角速度ω
で回転させると、X軸方向にコリオリの力Fcが発生し
、検知用振動子57.57’はともにそれらの厚み方向
に撓むことになる。
ところで、検知用振動子57.57’の彎曲の程度は、
発生するコリオリの力FC1ひいてはZ軸周りの角速度
ωに比例する。したがって、検知用振動子57.57’
のそれぞれに設けた電極間に生じる電圧の大きさを測定
すれば、角速度ωを求めることができる。
なおここで、支持基板59は、コリオリの力板外の外力
の影響を排除して、振動体58.58’を正しく対称振
動させるべく機能する。
また、第6図に示す従来の振動ジャイロは、駆動用振動
子61.61’ 、連結部材66、66’および検知用
振動子67、67’の各組合わせからなる一対の振動体
68.68’のそれぞれの一端を、固定部材62に固定
してなる音叉状のものであり、この型式の振動ジャイロ
は、一方の駆動用振動子61だけに交流電圧を印加し、
音叉の共振を利用して他方の駆動用振動子61′をそれ
と対称に振動させると共に、その振幅を増大させてコリ
オリの力Fcを強めるものである。なお、この場合には
、他方の駆動用振動子61′は、振動モニターとして振
動片の振動状態を検知するのに利用することができる。
〔発明が解決しようとする課題〕
ところが、これらの従来技術はいずれも、駆動用振動子
51.51’、 61.61’の先端に検知用振動子5
7、57’、 67、67’を連結する構造であるため
、装置が縦長で大型化して不安定となる他、駆動用振動
子51.51’、 6L 61’に交流電圧を供給する
ための配線、検知用振動子57.57’、 67、67
’から信号電圧を取り出すための配線などが複雑になる
欠点があり、とりわけ、検知用振動子57.57’、 
67、67’に対する配線は、線材の引回しに苦労する
ところが大であった。
すなわち、検知用振動子57.57’、 67、67’
は、常に、およそ数μm〜100μm程度の微小な振動
振幅下におかれており、信号電圧の取出しのための線材
の質量や弾性率、さらには変形状態その他が、駆動用振
動子51.51’、 61.61’の振動に大きな影響
を及ぼして検知感度を変動させる要因となることから、
その線材を、駆動用振動子51.51’、  61゜6
1′の側面に接着させて、振動の小さい基台59゜69
の付近まで延在させ、そこから所定の接続端子まで引き
出すこと、あるいは所定の接続端子を検知用振動子57
.57’、 67、67’の近傍位置まで延在させて、
線材の長さを短くすることにて、その線材の影響を低減
することなどの手段が講じられている。しかしながら、
このような方法によれば、振動ジャイロの製造作業効率
の著しい低減が不可避で、あった。
また、その一方において、駆動用振動子51.51’。
61、61’の広幅面と、検知用振動子57.57’、
 67゜67′の広幅面とが正確に直交していない場合
には、検知用振動子57.57’、 67、67’での
検知信号中に、Y軸方向の振動成分が漏れ込むことにな
るとともに、検知精度それ自体が低下することになる。
ところで、駆動用振動子51.51’、 61.61’
の端面と、検知用振動子57.57’、 67、67’
の各端面とを直接的に連結する構造の下においては、そ
れらを接着剤によって単に固着するだけでは高い連結精
度を望み得べくもない。
そこで、図示のような連結部材56.56’、 66、
66’を介して、駆動用振動子51.51’、 61.
61’と検知用振動子57.57’、 67、67’ 
とを連結することとしており、連結部材56.56’、
 66、66’を用いるこの方法によれば、駆動用振動
子51.51’、 61.61’および検知用振動子5
7.57’、 67、67’のそれぞれの端部を、連結
部材56.56’、 66、66’に形成されて、州庁
に直交する方向に向くそれぞれの溝内に接合することに
よって、駆動用振動子51.51’、 61.61’と
検知用振動子57.57’、 67、67’とを、比較
的容易に、高い面角度をもって連結することが可能とな
る。
ところがこの場合には、連結部材56.56’、 66
゜66′の、駆動用振動子接合溝と検知用振動子接合溝
とが相互に直交する方向に向いていることから、駆動用
振動子51.51’、 61.61’と検知用振動子5
757’、 67、67’との、各連結部材56.56
’、 66、66’への接合を同時に行うに際しては、
接着剤が硬化するまでの間、駆動用振動子51.51’
、 61.61’および検知用振動子57.57’、 
67、67’のそれぞれを、各連結部材56.56’、
 66、66’に、所定の相対関係の下で正確に位置決
め保持するための特別の治1°1が必要となり、しかも
、その治具の構造が複雑になるとともに、治具が大型化
して作業性が悪くなる。
この一方において、かかる接合作業を2工程に分けて行
うときには、作業工数が著しく嵩むことになる。
もちろん、このように多くの課題を抱えている従来技術
に対して、解決の方策がなかった訳ではなく、コリオリ
の力によって発生するねじりモーメントを利用して角速
度を検出するタイプの振動ジャイロも提案されている。
第7図は、その−例を示すものであり、これは、圧電バ
イモルフその他からなる一対の駆動用振動子71a、 
71bのそれぞれの一端部を、少なくとも一部をすべり
振動子73a〜73dに構成した連結部材72によって
コ字形に連結してなる振動ジャイロである。
この振動ジャイロは、第8図に、一方の駆動用振動子7
1bについての作動状態を示すように、駆動用振動子7
11)を三次元座標系内のY軸方向に振動させた状態の
下で、連結部材72がY軸の周りに入力角速度ωで回転
する場合に、X軸方向に発生するコリオリの力Fcによ
り、駆動用振動子71bの固定面SIに生じる、ねじり
モーメントによる剪断応力τ′を、たとえば、X軸方向
に分極処理されてY軸と直交するそれぞれの面75a 
 75a’ 75bおよび75b′に検知用電極を設け
てなるすべり振動子73c、 73dにて検知するもの
である。
ところが、この振動ジャイロでは、基台72、とくには
その一部を構成するすべり振動子73c、 73dに、
X軸方向に向く単純剪断応力τも同時に作用することに
なるため、検出用のすべり振動子73c。
73dの出力の絶対値に差が生ずることとなる。
それ故に、駆動用振動子71bが、Y軸に対してその固
定面SIが常に直交するような理想的な片持ちはりとし
てY軸方向に振動し、またコリオリの力FcによるX軸
方向の振動も同様に理想的なものである場合には、たし
かにすべり振動子73c。
13dからの出力電圧を差動的に取ることによって、ね
じり剪断応力τ′のみを取り出すことは可能である。し
かしながら、現実には、すべり振動子73c73dと駆
動用振動子71bとの結合状態、駆動用振動子71bと
振動ジャイロを支持する固定枠との慣性モーメントとの
比などにより、ねじり剪断応力の中心が固定面S1の中
心からずれるため、精度的な面においてなお問題を残し
ている。
この発明の目的は、従来技術のかかる問題を有利に解決
するところにあり、基本的には、装置の十分なる小型化
を実現することに加え、各種配線の引き回し、および検
出手段と駆動手段との高精度の組付けを極めて容易なら
しめることによって、生産性を大きく向上させ、より望
ましくは、さらに優れた検出感度を有する振動ジャイロ
の提供を目指すところにある。
〔課題を解決するための手段〕
この発明の振動ジャイロは、 基台に、三次元座標系のX軸と直交する方向に向く二壁
面を設けるとともに、それらの各壁面からX軸方向へ突
出する支持部材をその基台に取付け、また、各支持部材
に、そこからさらにX軸方向へ突出する連結部材を設け
、 そして、これらのそれぞれの連結部材に、Z軸両方向へ
突出延在し、かつその延在部分のX軸と直交する方向の
面が広幅面である、矩形板形状の0 二枚一対の駆動用振動子二対を、それらの各一端部にて
固着して、一方の対の駆動用振動子のそれぞれと、他方
の対の駆動用振動子のそれぞれとを同軸上に配設したと
ころにおいて、 各支持部材の少なくとも一部を、X軸と直交するいずれ
かの方向へ分極させた圧電材料の、X軸と直交するそれ
ぞれの面に検知用電極を形成してなるすべり振動子の少
なくとも一個にて構成することにより、 駆動用振動子のX軸方向への振動状態下での、基台のZ
軸周りの回転運動に伴って生起されるコリオリの力に基
づいて、すべり振動子に作用するねじりモーメントまた
は剪断応力を検知するごとにより、その基台のZ軸周り
の角速度を検出するようにしたものである。
〔作 用〕
この発明にかかる振動ジャイロにあっては、各連結部材
に一端部を固着した、対をなすそれぞれの駆動用振動子
を、位相を180°ずらしてX軸方向に対称振動させる
とともに、他のそれぞれの駆動用振動子を、前記駆動用
振動子対とは180°位相をずらして対称振動させた状
態の下で、基台がZ軸まわりに入力角速度ωの回転運動
を行うと、同軸に配列された多対のそれぞれの駆動用振
動子には、互いに反対方向のコリオリの力Fcが発生し
、そのコリオリの力Fcは、連結部材、ひいては支持部
材をZ軸まわりに回転させる方向のねじりモーメントを
もたらす。なお、この場合には、各連結部材に固着され
た異なった対の駆動用振動子は、互いに逆向きのコリオ
リの力を発生することにより、支持部材に作用する単純
剪断応力は相互に相殺されることになる。
従って、各支持部材の少なくとも一部に設けたすべり振
動子には、角速度ωに対応したねじりモーメントだけが
作用することになり、すべり振動子の、X軸と直交する
それぞれの面に形成された電極間には、ねじりモーメン
ト、ひいては角速度に正確に対応した電圧が発生し、そ
の電圧から基台の回転角速度ωを、高い精度をもって検
知することができる。
1 2 この一方において、X軸方向に同軸配置した異なった対
の駆動用振動子の相互を、X軸方向に同位相となるよう
に振動させるとともに、対をなすそれぞれの駆動用振動
子を、180°位相をずらして対称振動させた場合には
、多対の、互いに同軸に配列された駆動用振動子のそれ
ぞれには、共に同方向に向くコリオリの力Fcが発生し
、その力の方向は対をなすそれぞれの駆動用振動子間で
は相互に逆向きとなるので、各連結部材と基台たの間に
配設したそれぞれの支持部材には、Y軸方向の剪断応力
だけが作用する。
これがため、支持部材の一部に設けたすべり振動子には
、角速度に正確に対応した剪断応力が作用することにな
り、すべり振動子の、X軸と直交するそれぞれの面に形
成された電極間には、剪断応力、ひいては角速度に対応
した電圧が発生し、その電圧から基台の回転角速度ωを
、高い精度にて検知することができる。
〔実施例〕
以下、図面を参照してこの発明の振動ジャイロの実施例
について詳述する。
第1図は、この発明の一実施例を示す斜視図である。
図中、la、 lbは、相互に対をなす一対の駆動用振
動子を、Ic、 Idは他の対の駆動用振動子をそれぞ
れ示し、圧電バイモルフ、ユニモルフ等からなり、それ
ぞれが矩形板形状をなす多対の駆動用振動子1a、 l
bおよびlc、 ldは、三次元座標系のX軸方向に所
定の間隔をおいてX軸方向へともに等量づつ突出延在す
る。
また図中2は、三次元座標系のX軸と直交する二壁面を
有する基台を示し、3.3′は、この基台2のそれぞれ
の壁面からX軸方向へ突出させて設けた支持部材を示し
ており、4,4′は、これらの各支持部材からさらにX
軸方向へ突出させて設けた連結部材を示す。
ここで、二対の駆動用振動子1a、 IbおよびIc。
1dのそれぞれは、それらの広幅面をX軸と直交する方
向に向けた姿勢で、それぞれの一端部を連結部材4,4
′のZ軸直交面に、それぞれ独立して固3 4 着すると共に、連結部材4,4′を挟んで両側に突出延
在させたものどうし、すなわち、駆動用振動子1aと1
0.1bと1dは、連結部材4,4′を挟んで同軸上に
設ける。
ところで、こ・うした同軸上に突出延在させた駆動用振
動子1a、 Icおよびlb、 ldの各連結部材4,
4′への連結は、その連結状態を強p1に維持し、かつ
測定精度の向−ヒを担保するため、各連結部材の互いに
対抗する面、つまり、Z軸と直交するそれぞれの面に形
成されてY軸方向に延在する溝部に、多対の駆動用振動
子の一方の端部分をそれぞれ嵌め込み、たとえば、接着
剤を用いて、それらの連結部十A’4.4’に駆動用振
動子1.a、 lb、 lc、 ldを固着することに
より行われる。
これに対し、連結部材4.4′は、後に詳述する支持部
1’3.3’を介して、基台2の、X軸と直交する方向
に向く二壁面番こ固着することによって、それらの連結
部材4,4′に同軸に配設した多対の駆動用振動子1a
、 lbとlc、 ldの広幅面は相互に対向すること
となる。
さらにここでは、支持部材3,3′の少なくとも一部を
、たとえば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)その他か
らなる圧電セラミックス材料を主体とするすべり振動子
3a、 3b、 3c、 3dにより構成し、それらの
各すべり振動子を、例えば、直六面体形状をなす圧電材
料をZ軸方向へ分極させるとともに、その圧電材料の、
X軸と直交するそれぞれの面に検知用電極を配設するこ
とによって構成する。
第2図ta)は、支持部材3,3′の全てを、上述した
すべり振動子で構成した例を、一方の支持部材3′につ
いて示すものであり、ここでは、支持部材3′を、Y軸
方向にセパレートさせた二個のすべり振動子3c、 3
dによって構成することとし、各すべり振動子3c、 
3dを、Z軸方向へ分極させた圧電材料の、X軸と直交
するそれぞれの面に、検知用電極5c、 5c’および
5d、 5d’をそれぞれ設けることによって構成して
いるが、この発明によれば、いずれか一方のすべり振動
子を単なるスペーサに置換してもなお、所期した通りの
振動ジャイロをもたらすことができ、また、支持部材3
′の厚み5 6 方向、いいかえればX軸方向の一部だけをすべり振動子
3cおよび/または3dによって構成することも可能で
ある。
以上のように構成してなる振動ジャイロの作用を以下に
説明する。
第1図に示すところにおいて、対をなす駆動用振動子1
a、 lbおよびlc、 Idのそれぞれに交流電圧を
印加して、多対の駆動用振動子に、図に矢印■で示すよ
うに、位相が180 ’ずれた対称振動を行わせるとと
もに、Z軸方向に同軸に配設された、異なる対の駆動用
振動子1aと10並びに1bとIdにもまた、位相が1
80°ずれた振動を行わせた状態の下で、基台2にZ軸
の周りでの回転運動を与える。
すると、対をなすそれぞれの駆動用振動子1a。
1b並びにlc、 ldには、角速度ωに比例するコリ
オリの力Fcが、Y軸方向に互いに逆向きに作用し、か
つ、Z軸方向に同軸に配列された多対の駆動用振動子1
a及び1b並びに1c及び1dにもまた、相互に逆向き
に作用するので、それぞれの連結部材4.4′には、そ
れらのコリオリの力に基づくねしりモーメントが作用す
る。
これがため、連結部材4.4′を基台2に連結する支持
部材3.3’ 、ひいては、すべり振動子3a〜3dに
は、第2図(alに弧状の矢印で示すように、そのねじ
りモーメントに起因するねじり剪断応力が生ずる。なお
、簡略のため、振動子3a、 3bについては図示しな
い。
ここで注意することは、Z軸方向に同軸に配列された多
対の駆動用振動子1b及びIdに作用するコリオリの力
FczとFcaは、それらの駆動用振動子の各種寸法お
よび重量をともに等しくしたところにおいて、それぞれ
大きさが等しく、作用方向が逆になるので、支持部材3
′を構成するすべり振動子3Cおよび3dと連結部材4
′との接合面Sには、ねじり剪断応力だけが作用すると
いうことである。
そこで、接合面SにおいてX軸の周りに作用するねじり
剪断応力を検出すべく、接合面Sの、図ではほぼ半分を
構成するそれぞれのすべり振動子3c及び3dの分極方
向をZ軸方向とすると共に、それらのすべり振動子の、
X軸と直交するそれぞれ7 8 の面5c及び5c’並びに5d及び5d’に検知用電極
を配設し、このことによって、角速度ωに比例した電圧
の検出を可能ならしめる。勿論、このことは支持部材3
を構成する他のすべり振動子3a及び3bについても同
様である。
なお、上述したねじり剪断応力は、第2図(blに示す
ように、支持部材3′と連結部材4′との接合面S′の
一部を構成する、Z軸方向にセパレートさせたそれぞれ
のすべり振動子3c′及び3d’の分極方向をY軸方向
とすると共に、それらのすべり振動子の、Y軸と直交す
るそれぞれの面5e及び5e’及び5f及び5f’に検
知用電極をそれぞれ配設することによってもまた検出す
ることができ、第2図+a)及び(b)に示したいずれ
の場合にあっても、すべり振動子3c、 3dおよび3
c’、3d’はそれぞれ、Y軸およびY軸に対して線対
称に配置されるので、それぞれのすべり振動子に生起さ
れる電圧の絶対値は等しくなる。
ところで、上述した実施例にあっては、対をなす駆動用
振動子1a、 Ibおよびlc、 ldに交流電圧を印
加して、それらのそれぞれの対を、位相を1806ずら
して矢印Vで示す方向に対称振動させるとともに、Z軸
方向に同軸に配列された多対の駆動用振動子1aと1c
および1bと1dをもまた、位相を180’ずらして振
動させたが、第3図に示すように、Z軸方向に同軸に配
列された多対の駆動用振動子1aと1c並びに1bとl
dとをそれぞれ同相に振動させる一方、対をなす駆動用
振動子1aと1bおよび駆動用振動子1cと1dとの間
では、位相を180°ずらして振動させた状態の下で、
基台2にY軸の周りでの回転運動を与えた場合にもまた
、回転運動の角速度ωを求めることができる。
この場合にあっても、Z軸方向に同軸に配列された多対
の駆動用振動子la、 lcおよびlb、 Idに、角
速度ωに比例したコリオリの力が作用することに変わり
はないが、駆動用振動子1aとIC11bと1dとに作
用するコリオリの力の方向がともに同じとなるのに対し
、それらの駆動用振動子1a、 lcと1b1dとの間
ではその作用方向が逆向きとなる。
それゆえに、このような場合には、連結部材4゜9 0 4′を基台2に連結する支持部材3.3’ 、ひいては
、すべり振動子3e、 3fに、第4図に示すような単
純剪断応力τが生ずる。勿論、Z軸方向に同軸に配列さ
れた駆動用振動子、たとえば、1a及び1cにそれぞれ
作用するコリオリの力F輪’ 、Fc3’によるねじり
モーメントMI、M3がすべり振動子に作用することに
なるが、それらは互いに逆向きに作用して打ち消し合う
結果、実質的に単純剪断応力でだけが作用することとな
る。
そこで、接合面S“においてY軸方向に作用する単純剪
断応力を検出すべく、ここでは、接合面を形成する各す
べり振動子3e及び3fを、たとえば、接合面S“と同
一の寸法を有するとともに、所要の厚みを有する圧電材
料をY軸方向へ分極させるとともに、その圧電材料の、
Y軸と直交する対向面5g、 5g’および5h、 5
h’のそれぞれに検知用電極を設けることによって構成
する。
〔発明の効果〕
かくして、この発明によれば、駆動用振動子およびすべ
り振動子への配線が固定部付近で行なえるのみならず、
駆動用振動子の連結を、連結部材との面接触下にて行う
ことができるので、特別な治具および熟練を必要とせず
、信頼性を大きく向上させることができ、製作を容易な
らしめることができる。
しかも、矩形板状をなす二対の駆動用振動子を、それぞ
れの連結部材を介して対称に配置する構成としたので、
各駆動用振動子に作用するコリオリの力を、対称的なね
じり剪断応力または単純剪断応力として、いいかえれば
、検知精度の低下をもたらす応力を極めて有効に相殺し
て検知することができ、安定性に優れた高精度の振動ジ
ャイロを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、この発明の実施例を示す斜視図、第2図(a
)及び(blは、それぞれ第1図のすべり振動子に作用
する応力を示す図、 第3図は、第1図に示す装置の異なった作動を示す説明
図、 第4図は、第3図のすべり振動子に作用する応1 2 力を示す図、 第5図及び第6図は、それぞれ従来の振動ジャイロの構
成を示す斜視図、 第7図及び第8図はそれぞれ、ずベリ振動子を用いた振
動ジャイロの例、及びその作動原理を示す図である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、三次元座標系内で、X軸と直交する方向に向く二壁
    面を有する基台と、この基台それぞれの壁面からX軸方
    向へ突出させて設けた支持部材と、これらの各支持部材
    からさらにX軸方向へ突出させて設けた連結部材と、一
    端が各連結部材に固着されていてZ軸方向へ突出延在し
    、かつその延在部分のX軸と直交する方向の面が広幅面
    である、矩形板形状の二枚一対の駆動用振動子二対と、
    を具え、連結部材を挟む一方にのびる駆動用振動子と他
    方にのびる駆動用振動子とをそれぞれ同軸上に配設して
    なる振動ジャイロであって、 前記各支持部材の少なくとも一部を、X軸と直交するい
    ずれかの方向へ分極させた圧電材料の、X軸と直交する
    それぞれの面に検知用電極を設けてなるすべり振動子に
    て構成したことを特徴とする振動ジャイロ。
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